JTEC Energy stärkt Sicherheit in die Abwärme-zu-Strom-Umwandlung dank Vaisala Feuchtegehaltsmessung

Während JTEC seine wasserstoffbasierte Abwärme-zu-Strom-Umwandlungstechnologie für den Einsatz vor Ort vorbereitet, liefern Vaisala Sensoren die nötigen Feuchte- und Taupunktmessungen, um kritische Komponenten zu schützen, die Steuerung zu vereinfachen und das Kundenvertrauen zu stärken.

JTEC Energy hat eine neuartige Technologie entwickelt, die Abwärme mit höherer Effizienz und bei niedrigeren Temperaturen in Strom umwandelt als viele konkurrierende Ansätze zur Rückgewinnung von Abwärme. Das System nutzt Wasserstoff als Arbeitsmedium und kombiniert eine wärmegetriebene Kompressionstechnologie mit elektrochemischen Zellenstapeln, die Wasserstoffdruck in elektrisches Potenzial umwandeln.

Eine strenge Feuchtegehaltskontrolle ist für diesen Prozess unerlässlich. Der elektrochemische Block benötigt befeuchteten Wasserstoff, damit die Membranen optimal funktionieren, während die im Subsystem der Abwärmeumwandlung eingesetzten Metallhydridreaktoren vor zu hohem Feuchtegehalt geschützt werden müssen. Um dieses Gleichgewicht zu gewährleisten, hat JTEC ein geschlossenes Gasmanagementsystem entwickelt, das mehr als 99,99 % des in das System eingebrachten Feuchtegehalts entfernt und rezirkuliert.

Damit dieses System zuverlässig läuft, benötigt JTEC hochpräzise Feuchtegehaltmessungen unter Bedingungen – von hoher Feuchte am elektrochemischen Stack bis hin zu den sehr niedrigen Taupunktwerten, die erforderlich sind, bevor Wasserstoff sicher in die Reaktoren zurückgeführt werden kann. Diese kritischen Messungen müssen zudem mit industriegeeigneten Sensoren durchgeführt werden, die im Wasserstoffbetrieb funktionieren, dynamische Druck- und Durchflussbedingungen unterstützen, in Steuerungssysteme integrierbar sind und die Anforderungen für Ex-Bereiche erfüllen.

Schutz eines kritischen Systems in einer anspruchsvollen Wasserstoffumgebung

Das Abwärme-zu-Strom-Umwandlungssystem von JTEC vereint zwei Subsysteme mit unterschiedlichen Feuchtegehaltsanforderungen: einen elektrochemischen Block, der Feuchte benötigt, um effizient zu funktionieren, und Metallhydridreaktoren, die vor übermäßigem Feuchtegehalt geschützt werden müssen.

Im System von JTEC wird Abwärme an einen der Metallhydridreaktoren im Subsystem der Abwärmeumwandlung geleitet. Metallhydride wirken für Wasserstoff ähnlich wie ein Schwamm. Beim Abkühlen nehmen sie Wasserstoff auf. Beim Erhitzen geben sie Wasserstoff bei einem von der Temperatur abhängigen Druck ab. Das System von JTEC nutzt diese Fähigkeit, um Wasserstoffdruck als Teil des Prozesses zur Umwandlung von Abwärme in Strom zu erzeugen.

Von den Metallhydridreaktoren wird der Hochdruckwasserstoff zum Blockmodul geleitet, wo seine Ausdehnung in den neuartigen elektrochemischen Blöcken von JTEC Strom erzeugt. Nach dieser Ausdehnung verlässt der Niederdruckwasserstoff den Block und kann wieder in einen separaten Metallhydridreaktor im Abwärmeumwandlungsmodul aufgenommen werden, wo er später erhitzt, unter Druck gesetzt und zur erneuten Stromerzeugung verwendet werden kann. Durch diesen Prozess hat JTEC eine Abwärme-zu-Strom-Umwandlungstechnologie entwickelt, die eine einzelne Wasserstoffladung in einem vollständig geschlossenen Kreislauf zirkuliert: Das System verbraucht keinen Wasserstoff, und Abwärme ist der einzige „Kraftstoff“, den JTEC zum Betrieb benötigt.

Während des Durchlaufs durch die Blöcke wird das Wasserstoffgas befeuchtet, um die Membranen in den Blöcken auf Höchstleistung zu halten. Übermäßige Wassereinwirkung schädigt Metallhydride, indem sie die Bildung von Oxidschichten fördert, die die Wasserstoffaufnahme begrenzen und die Reaktorleistung verringern. Daher muss JTEC genügend Feuchtegehalt gewährleisten, um die Blockleistung zu unterstützen, und anschließend den Wasserstoffstrom trocknen, bevor er die Reaktoren erreicht.

„Die Feuchtemessung ist für JTEC von zentraler Bedeutung, weil wir zwei Komponenten unseres Systems haben, die jeweils sehr gut funktionieren, aber damit sie gemeinsam optimal arbeiten, müssen wir sicherstellen, dass wir die Feuchte, die zwischen ihnen hin und her fließt, sehr präzise steuern können“, so Julian Bell, Vice President of Engineering bei JTEC Energy.

Bevor JTEC Vaisala als Standard einführte, wurden im Labor sowie in F&E-Anwendungen konventionelle Sensoren für relative Feuchte und Taupunkt eingesetzt. Diese Sensoren erwiesen sich für die Anwendung nicht immer als ausreichend robust, insbesondere bei Kontakt mit Kondensation oder Sättigungszuständen.

In F&E-Anwendungen könnte eine gesättigte Feuchtesonde die technischen Fachkräfte zwingen, ein Experiment abzubrechen, die Geräte zu trocknen, das System zu reinigen und von vorne zu beginnen. In einem Fall benötigte eine technische Fachkraft drei Tage, um ein sechsstündiges Experiment abzuschließen, weil der Sensor mitten im Test gesättigt wurde und das System zurückgesetzt werden musste.

In einem Produktionssystem sind die Risiken durch ungenaue oder unzuverlässige Feuchtegehaltsmessungen noch größer: Das Subsystem zur Abwärmeumwandlung kann mehr als ein Drittel der Gesamtsystemkosten ausmachen und ist während des Systembetriebs kontinuierlich in Betrieb. Übermäßiger Feuchtegehalt beeinträchtigt die Leistung des Reaktorsystems und macht eine Offline-Wartung zur Wiederherstellung erforderlich, was zu untragbaren Ausfallzeiten in der Stromerzeugungsinfrastruktur führt. 

„Ehrlich gesagt konnten wir vor unserer Zusammenarbeit mit Vaisala keine gute Sensorlösung ausfindig machen“, erzählt Julian Bell.

Vaisala als Standard für Feuchte- und Taupunktmessung

JTEC testete 2023 erstmals einen Vaisala Taupunktsensor in einem internen F&E-Projekt. Als das Unternehmen auf sein erstes Produktionssystem und ein Pilotprojekt vor Ort hinarbeitete, wurde Vaisala aufgrund hervorragender Messleistung bei niedrigen Taupunkten, Kalibrierstabilität, Verfügbarkeit, Integrationsflexibilität und technischem Support zur bevorzugten Wahl.

In der Produktionssystemarchitektur von JTEC unterstützen Vaisala Sensoren drei kritische Feuchtegehaltmesspunkte.

Der erste ist eine Messung der hohen Feuchte nach der anfänglichen Phase des Entfeuchtungssystems. Zu diesem Zeitpunkt hat Wasserstoff den elektrochemischen Block verlassen, und ein Großteil seines Feuchtegehalt wurde bereits entfernt. JTEC setzt eine Vaisala HMP7 Sonde für relative Feuchte und Temperatur ein, um die Systemleistung zu überprüfen und Kondensation in der Leitung zu vermeiden.

Der zweite Feuchtegehaltmesspunkt ist eine Messung niedriger Taupunkte nach den späteren Phasen des Feuchtegehaltsmanagements. In dieser Phase muss der Wasserstoff wieder auf die Spezifikation hin getrocknet werden, bevor er in die Metallhydridreaktoren zurückgeleitet werden kann. JTEC verwendet an dieser Stelle einen Vaisala Ex-zertifizierten Sensor DMP370. Neben der Stabilität und Genauigkeit des DMP370 hat die Zusammenarbeit mit Vaisala zur Evaluierung eines Wechsels auf Sensoren für den Einsatz in Gefahrenbereichen JTEC dabei geholfen, sich auf zukünftige Kundenanforderungen in anspruchsvollen Endanwendungen vorzubereiten.

Der dritte Messpunkt befindet sich im Wartungsverteiler von JTEC, der die Gasdrücke in verschiedenen Teilen des Systems während Start, Abschaltung und Wartungsarbeiten anpasst. Ein Vaisala Taupunktmesswertgeber DMT143 bestätigt, dass keine Feuchte von der feuchten Seite des Systems in trockene Bereiche gelangt, die Wasserstoff an kritische Komponenten liefern.

Die Umsetzung war unkompliziert. Die Sensoren wurden als Teil der größeren Systembaugruppe montiert und in das Steuerungssystem von JTEC integriert. Bei einem dynamischen Batchprozess, bei dem Druck, Temperatur und Durchfluss im Zyklus stark schwanken können, waren Messleistung, Datenzugänglichkeit und technischer Support von besonderer Bedeutung.

„Die automatische Kalibrierung von Vaisala ist ein entscheidendes Merkmal – sie stärkt die Sicherheit in die erhaltenen Messwerte und war für uns ein großer Vorteil“, betont Julian Bell. „Gleichzeitig konnten wir mit Unterstützung der Vaisala Technikfachkräfte Druckkompensationsroutinen in unsere Taupunktmessungen integrieren – und diese Expertise hat sich klar gezeigt.“

Die Unterstützung durch Vaisala geht über die Produktauswahl hinaus. Das Unternehmen ermöglicht den Zugang zu promovierten Wissenschaftler*innen von Vaisala, die weltweit anerkannte Expert*innen für Feuchtemetrologie sind. Ihre fortlaufende Unterstützung hilft dem Team, die Messung des Feuchtegehalts in Wasserstoff bei variierenden Drücken und niedrigen Taupunktwerten zu beurteilen.

Dies war besonders wichtig, da die Messung des Feuchtegehalts in Wasserstoff bei Drücken, die deutlich von atmosphärischen Bedingungen abweichen, von der wissenschaftlichen Gemeinschaft und Industrie nicht vollständig verstanden wird. Dank der technischen Expertise von Vaisala konnte JTEC fundierte Entscheidungen darüber treffen, wie Druckkompensation und Messsicherheit unter diesen Bedingungen am besten umgesetzt werden können.

„Vaisala hat uns geholfen zu verstehen, was bekannt ist, was wir mit Gewissheit sagen können und wo das Vertrauen in die Aussagekraft nachlässt“, sagt Julian Bell. „Vaisala beschäftigt Fachkräfte, die den Kunden zur Verfügung stehen. Dies hat uns ermöglicht, fundierte Entscheidungen darüber zu treffen, wie diese Messungen durchzuführen sind.“

Messsicherheit für den Einsatz vor Ort

Während JTEC sein erstes Produktionssystem für den Einsatz in einem Pilotprojekt vor Ort vorbereitet, verschafft Vaisala Messtechnik dem Unternehmen die Sicherheit, den Feuchtegehalt genau genug überwachen zu können, um kritische Reaktorkomponenten zu schützen. Beispielsweise muss JTEC den Feuchtegehalt im Wasserstoffgas streng kontrollieren, wenn es in die Reaktoren zurückgelangt. Daher sind Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Robustheit der Messungen entscheidend für die Einsatzbereitschaft vor Ort.

„Nur wenn ich das höchste Maß an Sicherheit bei meinen Feuchtegehaltsmessungen habe, fühle ich mich wohl dabei, ein Reaktorsystem dieser Größenordnung in einem Pilotprojekt zu betreiben – und Vaisala liefert diese Sicherheit“, so Julian Bell. „Die Investition in das Reaktorsystem ist zu groß, als dass ein Betrieb gerechtfertigt wäre, wenn nicht hundertprozentige Sicherheit darüber besteht, welchen Feuchtegehalt man wieder in die Reaktoren zurückführt.“

Vaisala Sensoren unterstützen JTEC folgendermaßen:

• Feuchteabscheidungsleistung im gesamten Gasmanagementsystem wird bestätigt.
• Metallhydridreaktoren werden vor schädlicher Feuchtegehaltseinwirkung geschützt.
• Sehr niedrige Taupunkte werden zuversichtlich und genau gemessen.
• Die Steuerung wird durch stabile, zuverlässige Messungen vereinfacht.
• Zukünftige Installationen in Gefahrenbereichen werden durch Ex-zertifizierte Messungen unterstützt.
• Gleichbleibende Sensortechnologie kommt in F&E- und Produktionsumgebungen zum Einsatz.

Vaisala Messwertgeber DMT143 sind jetzt die standardmäßigen Taupunktsensoren in den F&E-Bereichen von JTEC, und DMT143, HMP7 und DMP370 sind Standardkomponenten in der Produktionssystemarchitektur des Unternehmens.

Für Messungen niedriger Taupunkte bietet der Vaisala DMP370 einen Steuerungsvorteil, indem er stabile Messwerte ohne die Kalibrierunterbrechungen liefert, die in einigen anderen Messarchitekturen gehandhabt werden müssen. 

„Wenn wir entscheiden, wann wir von einer Entfeuchtungssäule zur nächsten wechseln, hilft es uns enorm, wenn wir den Feuchtegehalt des austretenden Gases jederzeit direkt überwachen können“, hebt Julian Bell hervor.

Die technische Partnerschaft mit Vaisala hat auch beeinflusst, wie JTEC Sensoranbieter beurteilt. Julian Bell sagt, dass die Messung des Feuchtegehalts einer der wenigen Bereiche sei, in denen JTEC im Gespräch mit Kunden, Händlern und technischen Partnern ausdrücklich den Sensoranbieter nenne.

„Vaisala liefert einen der drei wichtigsten Sensoren in unserem gesamten System, wobei der Feuchtegehaltssensor der wichtigste Sensor für die Langlebigkeit unseres Systems ist“, erklärt Julian Bell. „Dies ist der eine Bereich, in dem wir nicht zufriedener sein könnten und nicht nach neuen Sensoren Ausschau halten.“

Ermöglichen der nächsten Stufe der Abwärme-zu-Strom-Umwandlung

Wenn JTEC vom Labor in den Einsatz vor Ort übergeht, wird die Feuchtegehaltmessung eine zentrale Rolle dabei spielen, die Leistung seines geschlossenen Gasmanagementansatzes nachzuweisen. Vaisala Sensoren bieten die Echtzeittransparenz, die erforderlich ist, um die Systemleistung zu überprüfen, indem sowohl die hohen Feuchtewerte beim Einlass in den Feuchtegehaltsmanagementprozess als auch die niedrigen Taupunktwerte am Auslass quantifiziert werden.

Dank dieser Transparenz kann JTEC den Reaktorzustand schützen, die Steuerung vereinfachen und die Sicherheit stärken, dass das System für den Einsatz vor Ort geeignet ist. Mit Blick auf die Zukunft plant JTEC, weiterhin Vaisala Sensoren einzusetzen, während seine Produktionssysteme erweitert werden und zusätzliche Überwachungsanforderungen hinzukommen.

Durch die Standardisierung mit Vaisala Sensoren hat JTEC eine Grundlage für die Feuchtegehaltsmessung geschaffen, die den Einsatz vor Ort, die Systemzuverlässigkeit und zukünftiges Wachstum unterstützt. In Anwendungen, in denen der Feuchtegehalt den Reaktorzustand, die Zuverlässigkeit der Steuerung und das Kundenvertrauen maßgeblich beeinflusst, ermöglicht eine präzise Messung die erfolgreiche Einführung einer neuen Abwärme-zu-Strom-Umwandlungstechnologie vor Ort.